차량용 압축수소 저장용기 제조를 위한 특화 기능 소개

각국의 환경 규제로 인해 친환경 차량으로 알려진 전기차의 보급이 빠르게 진행되고 있지만, 화석 연료를 사용하여 생산한 전기를 사용하기 때문에 완벽한 친환경 차량이라고 정의하기에는 다소 논란의 여지가 있다. 순수 전기차의 단점을 보안하기 위한 대안으로 수소연료전지 전기차가 최근 출시됨에 따라, 관련 핵심 부품 중 하나인 압축수소 저장용기에 대한 연구개발도 꾸준히 늘어나고 있다. 이번 호에서는 COPV(Composite Over-wrapped Pressure Vessel)을 제조하기 위한 사전(복합재 성형) 시뮬레이션을 캐드필(Cadfil) 소프트웨어를 통해 살펴본다.

■ 배대령 | 씨투이에스코리아의 책임연구원으로 복합재 성형 및 소재물성 시험 관련 교육 및 기술 지원을 담당하고 있다. 재료연구소에서 4년간 근무하면서 항공, 자동차 분야의 복합재 성형 과제를 다수 수행하였다.
이메일 | drbae@c2eskorea.com
홈페이지 | www.c2eskorea.com

차량용 친환경 연료로 잘 알려져 있는 액화석유가스(LPG), 액화천연가스(CNG)와 같은 기체 연료를 저장하기 위해 주로 스틸 또는 알루미늄과 같은 금속 재질에 보호 코팅이 입혀져 있는 Type 1 형태(그림 1)의 용기가 사용되었다. 금속으로 이루어져 있어 중량은 무겁지만, 기체 연료 저장 용기 중 생산 단가에서 가장 경쟁력이 있다. 경량화 용기를 위해 금속 라이너 실린더 중앙부 또는 전면(Type 2, 3)에 섬유로 감은 형태로 제작이 시도되었다.

그림 1. 액화천연가스 용기 타입

Type 4의 경우 고밀도 플라스틱 재질의 라이너에 섬유가 전면에 감겨 있어 Type 1나 2의 용기에 비해 약 60% 중량 절감을 보이는 복합재 형태의 저장 용기이다. 유리 또는 탄소 섬유를 사용하여 합성수지와 함께 감는 과정을 필라멘트 와인딩 공정이라고 하며, 라이너(liner) 또는 맨드릴(mandrel)이라는 형상 틀 위로 장력 하에 섬유를 감아 복합 구조물을 만드는 자동화된 복합재 제조 공정이다. 타 기체 연료와 마찬가지로 액화수소도 고압으로 용기에 저장되므로, 높은 압력에 잘 견딜 수 있도록 섬유를 다양한 패턴으로 여러 층으로 감는 방식이 필요하다. 또한 차량 외부의 충격 및 온도 변화를 사전에 감지하여 수소를 방출시키는 기술도 함께 설계가 되어 있어 폭발의 위험성을 현저히 낮췄다.
필라멘트 와인딩 공정에서 섬유가 감기는 패턴은 크게는 후프(Hoop), 헬리컬(Helical) 그리고 측지선(Polar) 방식으로 구분할 수 있다.(그림 2) Type 2 용기에서는 후프 형태의 패턴을 사용하며 Type 3, 4에서는 용기 중앙부와 돔 형태의 실린더 끝단을 포함한 전면을 감기 때문에 후프 및 헬리컬 패턴을 혼합하여 사용한다.

그림 2. 섬유 와인딩 패턴 종류

캐드필(Cadfil) 소프트웨어는 제품 형상에 따른 최적화된 와인딩(winding) 설계부터 2~6축으로 구성된 필라멘트 와인딩 장비를 제어할 수 있는 프로그램 생성까지 가능한 와인딩 통합 솔루션이다. 향후 수소연료전지 전기차의 가파른 성장세와 더불어 핵심 부품으로 알려저 있는 압축수소연료 저장용기에 대한 제조 공정 최적화 연구도 캐드필 소프트웨어를 통해 활발히 이루어질 것으로 예측된다.